在掌握了 OOP 三大核心特性（封装、继承、多态）后，我们需要进一步学习 Python 中类的进阶方法（类方法、静态方法）和实用设计模式。类方法和静态方法拓展了类的功能边界，分别用于 “操作类属性” 和 “提供工具函数”；而设计模式则是 OOP 思想的经典实践，能帮助我们解决复杂场景下的代码设计问题。本章将从类方法、静态方法的语法与应用，到单例模式、工厂模式的实现，逐步提升你的 OOP 实战能力。

7.1 类方法（@classmethod）

在之前的学习中，我们接触的主要是 “实例方法”—— 依赖于对象，第一个参数必须是self，用于操作实例属性。而类方法是依赖于 “类” 的方法，通过@classmethod装饰器定义，第一个参数是cls（代表当前类，是 Python 的约定，不可省略），主要用于操作类属性或创建类的实例。

7.1.1 类方法的定义与调用

定义语法

class 类名:

# 类属性（类方法通常操作类属性）

类属性名 = 初始值

# 类方法：用@classmethod装饰，第一个参数是cls

@classmethod

def 类方法名(cls, 参数1, 参数2, ...):

# 方法逻辑：可通过cls访问类属性或调用其他类方法

cls.类属性名 = 新值 # 修改类属性

return 结果

语法说明

1. @classmethod装饰器：必须放在类方法定义的上方，用于标识该方法是类方法；

1. cls参数：代表当前类（如Student类的类方法中，cls就是Student类本身），通过cls可访问类属性、调用其他类方法，或创建类的实例；

1. 调用方式：既可以通过 “类名.类方法名(参数)” 调用（推荐），也可以通过 “对象.类方法名(参数)” 调用（不推荐，易混淆实例方法）。

示例：类方法操作类属性

假设我们需要统计Student类创建的实例数量，可通过类属性count记录，并用类方法get_instance_count获取统计结果：

class Student:

# 类属性：统计实例数量，初始值为0

count = 0

def __init__(self, name, age):

self.name = name

self.age = age

# 每次创建实例，类属性count加1（通过类名访问类属性）

Student.count += 1

# 类方法：获取实例数量（操作类属性count）

@classmethod

def get_instance_count(cls):

# 通过cls访问类属性（cls等价于Student）

return f"Student类共创建了{cls.count}个实例"

# 类方法：修改类属性（批量更新类级别的配置）

@classmethod

def reset_count(cls):

cls.count = 0

return "实例计数器已重置为0"

# 1. 创建3个Student实例

student1 = Student("小明", 20)

student2 = Student("小红", 19)

student3 = Student("小刚", 21)

# 2. 通过“类名”调用类方法（推荐）

print(Student.get_instance_count()) # 输出：Student类共创建了3个实例

# 3. 通过“对象”调用类方法（不推荐，语法允许但逻辑上不符合类方法的设计意图）

print(student1.get_instance_count()) # 输出：Student类共创建了3个实例

# 4. 调用类方法重置计数器

print(Student.reset_count()) # 输出：实例计数器已重置为0

print(Student.get_instance_count()) # 输出：Student类共创建了0个实例

运行结果：

Student类共创建了3个实例

Student类共创建了3个实例

实例计数器已重置为0

Student类共创建了0个实例

类方法的核心作用：

• 操作类属性：类方法是修改和访问类属性的 “安全接口”，避免外部直接修改类属性（类似实例方法对实例属性的封装）；

• 类级别的工具函数：实现与类相关但不依赖实例的逻辑（如统计实例数量、批量更新类配置）。

7.1.2 类方法的进阶应用：创建类的实例

类方法的另一个重要用途是 “创建类的实例”—— 当实例化过程需要复杂的逻辑（如从配置文件、数据库或 JSON 字符串中加载数据）时，可通过类方法封装实例化逻辑，对外提供简洁的调用接口（这种方式也称为 “工厂方法” 的简化版）。

示例：类方法从 JSON 字符串创建实例

import json

class Student:

def __init__(self, name, age, score):

self.name = name

self.age = age

self.score = score

def __str__(self):

return f"Student(name='{self.name}', age={self.age}, score={self.score})"

# 类方法：从JSON字符串创建Student实例（封装实例化逻辑）

@classmethod

def from_json(cls, json_str):

# 1. 解析JSON字符串为字典

try:

data = json.loads(json_str)

except json.JSONDecodeError as e:

raise ValueError(f"JSON解析失败：{e}")

# 2. 校验字典中是否包含必要的键

required_keys = ["name", "age", "score"]

if not all(key in data for key in required_keys):

raise KeyError(f"JSON数据缺少必要字段，需包含{required_keys}")

# 3. 创建并返回实例（cls等价于Student，cls(**data)等价于Student(**data)）

return cls(** data)

# 1. 定义JSON字符串（模拟从文件或网络获取的数据）

json_data = '''

{

"name": "小明",

"age": 20,

"score": 95.5

}

'''

# 2. 通过类方法创建实例（无需手动解析JSON和校验数据）

try:

student1 = Student.from_json(json_data)

print("从JSON创建的实例：", student1) # 输出：从JSON创建的实例：Student(name='小明', age=20, score=95.5)

except (ValueError, KeyError) as e:

print("创建实例失败：", e)

# 3. 尝试用非法JSON创建实例（触发异常）

invalid_json = '{"name": "小红", "age": 19}' # 缺少score字段

try:

student2 = Student.from_json(invalid_json)

except KeyError as e:

print("创建实例失败：", e) # 输出：创建实例失败：JSON数据缺少必要字段，需包含['name', 'age', 'score']

运行结果：

从JSON创建的实例： Student(name='小明', age=20, score=95.5)

创建实例失败： JSON数据缺少必要字段，需包含['name', 'age', 'score']

优势分析：

• 逻辑封装：将 “JSON 解析→数据校验→实例创建” 的复杂逻辑封装在类方法中，外部调用者只需传入 JSON 字符串，无需关心内部细节；

• 可扩展性：若后续需要从 “CSV 文件” 或 “数据库” 创建实例，只需新增from_csv、from_db等类方法，接口风格统一，易于维护；

• 代码复用：多个地方需要从 JSON 创建实例时，无需重复编写解析和校验逻辑，直接调用from_json即可。

7.2 静态方法（@staticmethod）

静态方法是类中与 “类” 和 “实例” 都无关的方法，通过@staticmethod装饰器定义，没有默认参数（既无self也无cls）。它本质是一个 “普通函数”，只是被定义在类的命名空间下，用于提供与类相关但不依赖类属性或实例属性的工具函数。

7.2.1 静态方法的定义与调用

定义语法

class 类名:

# 静态方法：用@staticmethod装饰，无默认参数

@staticmethod

def 静态方法名(参数1, 参数2, ...):

# 方法逻辑：不访问类属性和实例属性，仅依赖传入的参数

pass

语法说明

1. @staticmethod装饰器：必须放在静态方法定义的上方，用于标识该方法是静态方法；

1. 无默认参数：静态方法不依赖self（实例）或cls（类），因此没有默认参数，参数完全由调用者传入；

1. 调用方式：既可以通过 “类名.静态方法名(参数)” 调用（推荐），也可以通过 “对象.静态方法名(参数)” 调用（不推荐）。

示例：静态方法实现工具函数

假设Student类需要一个 “验证手机号格式” 的工具函数 —— 该函数与具体的学生实例无关（不依赖name、age等属性），也与Student类的类属性无关，适合定义为静态方法：

import re

class Student:

def __init__(self, name, age, phone):

# 调用静态方法验证手机号格式

if not Student.is_valid_phone(phone):

raise ValueError("手机号格式无效（需为11位数字）")

self.name = name

self.age = age

self.phone = phone

# 静态方法：验证手机号格式（工具函数，与类/实例无关）

@staticmethod

def is_valid_phone(phone):

# 正则表达式：匹配11位数字

pattern = r'^1\d{10}$'

return isinstance(phone, str) and re.match(pattern, phone) is not None

# 1. 通过“类名”调用静态方法（推荐，直接作为工具函数使用）

print("验证手机号13800138000：", Student.is_valid_phone("13800138000")) # 输出：验证手机号13800138000：True

print("验证手机号123456：", Student.is_valid_phone("123456")) # 输出：验证手机号123456：False

# 2. 创建实例（手机号合法）

try:

student1 = Student("小明", 20, "13800138000")

print(f"创建成功：{student1.name}，手机号：{student1.phone}") # 输出：创建成功：小明，手机号：13800138000

except ValueError as e:

print("创建失败：", e)

# 3. 创建实例（手机号非法）

try:

student2 = Student("小红", 19, "123456")

except ValueError as e:

print("创建失败：", e) # 输出：创建失败：手机号格式无效（需为11位数字）

运行结果：

验证手机号13800138000： True

验证手机号123456： False

创建成功：小明，手机号：13800138000

创建失败：手机号格式无效（需为11位数字）

静态方法的核心作用：

• 提供工具函数：封装与类相关但不依赖类 / 实例属性的通用逻辑（如格式验证、数据转换、计算等）；

• 避免命名污染：将工具函数定义在类的命名空间下，避免与全局函数重名（如is_valid_phone属于Student类，不会与其他类的is_valid_phone冲突）。

7.2.2 类方法、静态方法与实例方法的区别

为了清晰区分三种方法的适用场景，我们从 “参数、依赖对象、访问权限、调用方式” 四个维度进行对比：

示例：三种方法的对比实现

class Demo:

# 类属性

class_attr = "类属性值"

def __init__(self, instance_attr):

# 实例属性

self.instance_attr = instance_attr

# 1. 实例方法：依赖self，访问实例属性和类属性

def instance_method(self):

print(f"实例方法 - 实例属性：{self.instance_attr}，类属性：{self.class_attr}")

# 2. 类方法：依赖cls，访问类属性，不可访问实例属性

@classmethod

def class_method(cls):

print(f"类方法 - 类属性：{cls.class_attr}")

# 错误：类方法无法访问实例属性（cls没有instance_attr）

# print(f"实例属性：{cls.instance_attr}")

# 3. 静态方法：无默认参数，不访问类属性和实例属性

@staticmethod

def static_method(a, b):

print(f"静态方法 - 传入参数的和：{a + b}")

# 错误：静态方法无法访问类属性和实例属性

# print(f"类属性：{cls.class_attr}")

# print(f"实例属性：{self.instance_attr}")

# 创建实例

demo = Demo("实例属性值")

# 调用三种方法

print("=== 调用实例方法 ===")

demo.instance_method() # 输出：实例方法 - 实例属性：实例属性值，类属性：类属性值

print("\n=== 调用类方法 ===")

Demo.class_method() # 输出：类方法 - 类属性：类属性值

print("\n=== 调用静态方法 ===")

Demo.static_method(3, 5) # 输出：静态方法 - 传入参数的和：8

运行结果：

=== 调用实例方法 ===

实例方法 - 实例属性：实例属性值，类属性：类属性值

=== 调用类方法 ===

类方法 - 类属性：类属性值

=== 调用静态方法 ===

静态方法 - 传入参数的和：8

7.2.3 方法选择的实用建议

在实际开发中，选择哪种方法需根据 “是否依赖类 / 实例属性” 来判断，具体建议如下：

1. 选择实例方法：

• 方法需要访问或修改实例属性（如Student的get_score、set_score）；

• 方法是对象的 “行为”（如Dog的bark、Student的study）。

1. 选择类方法：

• 方法需要访问或修改类属性（如统计实例数量、更新类配置）；

• 方法需要创建类的实例（如从 JSON、CSV 加载数据创建实例）；

• 方法的逻辑与 “类” 相关，与 “具体实例” 无关（如Math类的sum方法，计算多个数字的和）。

1. 选择静态方法：

• 方法是纯工具函数，仅依赖传入的参数，不访问类属性和实例属性（如格式验证、数据转换）；

• 方法与类相关，但不需要与类或实例绑定（如Date类的is_leap_year方法，判断某一年是否为闰年）。

7.3 OOP 设计模式入门（实用篇）

设计模式是 OOP 开发中总结的 “可复用解决方案”，用于解决特定场景下的代码设计问题（如 “确保一个类只有一个实例”“统一创建不同子类的对象”）

。掌握设计模式能让你的代码更具可读性、可维护性和扩展性，避免重复 “造轮子”。本节将介绍两种最常用的设计模式：单例模式（确保类只有一个实例）和工厂模式（统一创建子类对象），并结合 Python 特性讲解实现方式。

7.3.1 单例模式：保证一个类只有一个实例

在某些场景下，我们需要确保一个类只能创建一个实例（如数据库连接池、配置管理器、日志对象）—— 若创建多个实例，可能导致资源冲突（如多个数据库连接修改同一数据）或资源浪费（如重复创建重量级对象）。单例模式（Singleton Pattern）就是解决这类问题的经典方案。

单例模式的核心思想

1. 私有构造：通过私有化__init__方法或__new__方法（Python 中创建对象的底层方法），阻止外部直接实例化；

1. 全局访问点：提供一个静态方法或类方法，作为获取唯一实例的全局接口，确保每次调用都返回同一个实例。

Python 中实现单例模式的 3 种常用方式

方式 1：基于__new__方法（推荐，最简洁）

__new__是 Python 中比__init__更早执行的方法，负责 “创建对象并分配内存”。通过重写__new__方法，控制对象的创建逻辑，确保只生成一个实例。

class Singleton:

# 类属性：存储唯一实例

_instance = None

def __new__(cls, *args, **kwargs):

# 1. 判断是否已创建实例：若未创建，调用父类__new__创建；若已创建，直接返回

if cls._instance is None:

# 调用object的__new__方法，创建对象并分配内存

cls._instance = super().__new__(cls)

# 2. 返回唯一实例（无论是否新创建）

return cls._instance

def __init__(self, name):

# 注意：若多次调用__init__，会重复初始化实例属性（需处理）

if not hasattr(self, "name"): # 仅当实例未初始化name时，才赋值

self.name = name

# 测试单例模式：多次创建对象，判断是否为同一个实例

s1 = Singleton("实例1")

s2 = Singleton("实例2")

# 1. 判断两个对象的内存地址是否相同（相同则为同一实例）

print(f"s1的内存地址：{id(s1)}") # 输出：s1的内存地址：2520858445648（示例值）

print(f"s2的内存地址：{id(s2)}") # 输出：s2的内存地址：2520858445648（与s1相同）

# 2. 查看实例属性（s2的name未覆盖s1的name，因hasattr判断避免重复初始化）

print(f"s1.name：{s1.name}") # 输出：s1.name：实例1

print(f"s2.name：{s2.name}") # 输出：s2.name：实例1

# 3. 验证是否为同一实例（is判断内存地址）

print(f"s1 is s2：{s1 is s2}") # 输出：s1 is s2：True

运行结果：

s1的内存地址：2520858445648

s2的内存地址：2520858445648

s1.name：实例1

s2.name：实例1

s1 is s2：True

关键逻辑：

• _instance类属性存储唯一实例，初始值为None；

• 每次调用Singleton()时，先执行__new__：若_instance为None，创建新实例并赋值给_instance；否则直接返回_instance；

• __init__中通过hasattr(self, "name")判断，避免多次调用时重复初始化实例属性。

方式 2：基于装饰器（灵活，可复用）

通过装饰器包装类，在装饰器内部维护唯一实例，实现单例逻辑。这种方式的优势是 “解耦”—— 单例逻辑与类本身分离，可复用给多个类。

def singleton(cls):

# 字典：存储被装饰类的唯一实例（key：类，value：实例）

instances = {}

def wrapper(*args, **kwargs):

# 1. 若类未在instances中，创建实例并加入；否则直接返回已有实例

if cls not in instances:

instances[cls] = cls(*args, **kwargs)

return instances[cls]

return wrapper

# 用装饰器将普通类变为单例类

@singleton

class DatabaseConnection:

def __init__(self, host, port):

self.host = host

self.port = port

def connect(self):

print(f"连接数据库：{self.host}:{self.port}")

# 测试单例模式

db1 = DatabaseConnection("localhost", 3306)

db2 = DatabaseConnection("127.0.0.1", 3306) # 传入不同参数，但仍返回同一实例

print(f"db1 is db2：{db1 is db2}") # 输出：db1 is db2：True

db1.connect() # 输出：连接数据库：localhost:3306（db2的参数未生效，因实例已创建）

db2.connect() # 输出：连接数据库：localhost:3306

运行结果：

db1 is db2：True

连接数据库：localhost:3306

连接数据库：localhost:3306

优势：

• 灵活性高：只需给类添加@singleton装饰器，即可实现单例，无需修改类内部代码；

• 可复用性：同一个装饰器可用于多个类（如@singleton也可装饰ConfigManager类）。

方式 3：基于模块（Python 特有，最简单）

Python 的模块具有 “导入时只加载一次” 的特性 —— 当一个模块被多次导入时，Python 只会创建一个模块对象，不会重复加载。利用这一特性，可将单例实例定义在模块中，实现单例模式。

步骤：

1. 创建singleton_module.py模块，在模块中创建类的实例；

1. 其他文件通过from singleton_module import 实例名导入，多次导入的都是同一个实例。

示例：

• singleton_module.py（模块文件）：

class ConfigManager:

def __init__(self):

# 模拟加载配置文件

self.config = {"debug": True, "timeout": 30}

def get_config(self, key):

return self.config.get(key)

# 模块中创建唯一实例

config_manager = ConfigManager()

• 主程序文件：

# 第一次导入实例

from singleton_module import config_manager as cm1

# 第二次导入实例（与cm1是同一个）

from singleton_module import config_manager as cm2

# 验证是否为同一实例

print(f"cm1 is cm2：{cm1 is cm2}") # 输出：cm1 is cm2：True

# 调用实例方法（结果一致）

print(f"cm1获取debug配置：{cm1.get_config('debug')}") # 输出：cm1获取debug配置：True

print(f"cm2获取timeout配置：{cm2.get_config('timeout')}") # 输出：cm2获取timeout配置：30

运行结果：

cm1 is cm2：True

cm1获取debug配置：True

cm2获取timeout配置：30

优势：

• 最简单：无需重写__new__或使用装饰器，利用 Python 模块特性即可实现；

• 无副作用：不会修改类的原有逻辑，兼容性好。

单例模式的适用场景

1. 资源密集型对象：如数据库连接、网络连接、线程池等，创建成本高，重复创建会浪费资源；

1. 全局配置对象：如配置管理器，整个系统只需一个配置实例，确保所有模块使用统一配置；

1. 日志对象：日志写入需保证顺序，多个日志实例可能导致日志内容混乱；

1. 工具类对象：如日期工具、加密工具等，无需多个实例，全局共享一个即可。

7.3.2 工厂模式：通过 “工厂类” 统一创建不同子类对象

在多继承或子类较多的场景下，直接通过子类名()创建对象会导致 “创建逻辑分散”—— 若后续子类名修改或新增子类，需修改所有创建对象的代码。工厂模式（Factory Pattern）通过定义一个 “工厂类”，统一负责所有子类对象的创建，外部只需告诉工厂 “要创建什么类型的对象”，无需关心具体创建逻辑。

工厂模式的核心思想

1. 抽象产品：定义所有产品（子类）的统一接口（如Payment抽象类，包含pay方法）；

1. 具体产品：实现抽象产品接口的子类（如WeChatPayment、AlipayPayment）；

1. 工厂类：提供静态方法或类方法，根据传入的参数，创建并返回对应的具体产品实例（如PaymentFactory.create_payment("wechat")返回WeChatPayment实例）。

Python 中实现工厂模式（以 “支付方式” 为例）

假设我们需要开发一个支付系统，支持微信支付、支付宝支付、银联支付三种方式，每种支付方式的逻辑不同，但都需要 “发起支付” 的接口。通过工厂模式，可统一管理支付方式的创建逻辑。

步骤 1：定义抽象产品（Payment 抽象类）

from abc import ABC, abstractmethod

# 抽象产品：支付方式接口

class Payment(ABC):

@abstractmethod

def pay(self, amount):

"""抽象方法：发起支付，子类必须重写"""

pass

步骤 2：定义具体产品（不同支付方式的子类）

# 具体产品1：微信支付

class WeChatPayment(Payment):

def pay(self, amount):

return f"微信支付成功：{amount}元（订单号：WX{hash(self)}{amount}）"

# 具体产品2：支付宝支付

class AlipayPayment(Payment):

def pay(self, amount):

return f"支付宝支付成功：{amount}元（订单号：ALIPAY{hash(self)}{amount}）"

# 具体产品3：银联支付

class UnionPayPayment(Payment):

def pay(self, amount):

return f"银联支付成功：{amount}元（订单号：UNION{hash(self)}{amount}）"

步骤 3：定义工厂类（PaymentFactory）

class PaymentFactory:

# 静态方法：根据支付类型创建对应的支付实例

@staticmethod

def create_payment(payment_type):

# 统一创建逻辑：根据参数返回不同子类实例

if payment_type.lower() == "wechat":

return WeChatPayment()

elif payment_type.lower() == "alipay":

return AlipayPayment()

elif payment_type.lower() == "unionpay":

return UnionPayPayment()

else:

raise ValueError(f"不支持的支付方式：{payment_type}，支持的类型：wechat/alipay/unionpay")

步骤 4：使用工厂模式创建对象

# 1. 通过工厂类创建不同支付方式的实例（无需直接调用子类构造函数）

try:

# 创建微信支付实例

wechat_pay = PaymentFactory.create_payment("wechat")

# 创建支付宝支付实例

alipay_pay = PaymentFactory.create_payment("alipay")

# 创建银联支付实例

unionpay_pay = PaymentFactory.create_payment("unionpay")

# 2. 调用支付方法（多态体现：统一接口，不同实现）

print(wechat_pay.pay(100)) # 输出：微信支付成功：100元（订单号：WX1407152043190881024100）

print(alipay_pay.pay(200)) # 输出：支付宝支付成功：200元（订单号：ALIPAY1407152043190881088200）

print(unionpay_pay.pay(300)) # 输出：银联支付成功：300元（订单号：UNION1407152043190881152300）

# 3. 尝试创建不支持的支付方式（触发异常）

invalid_pay = PaymentFactory.create_payment("applepay")

except ValueError as e:

print("创建支付实例失败：", e) # 输出：创建支付实例失败：不支持的支付方式：applepay，支持的类型：wechat/alipay/unionpay

运行结果：

微信支付成功：100元（订单号：WX1407152043190881024100）

支付宝支付成功：200元（订单号：ALIPAY1407152043190881088200）

银联支付成功：300元（订单号：UNION1407152043190881152300）

创建支付实例失败：不支持的支付方式：applepay，支持的类型：wechat/alipay/unionpay

工厂模式的优势与适用场景

优势

1. 解耦创建与使用：外部只需与工厂类交互，无需关心子类的具体创建逻辑（如无需知道WeChatPayment的构造参数）；

1. 统一管理创建逻辑：所有子类的创建都集中在工厂类中，后续修改子类名或新增子类，只需修改工厂类，无需修改所有调用代码（符合 “开闭原则”）；

1. 支持多态：工厂返回的对象都遵循统一接口（如Payment），外部调用时可直接使用统一方法（如pay），体现多态特性。

适用场景

1. 子类较多且创建逻辑复杂：如支付系统、日志系统（支持文件日志、控制台日志、数据库日志）；

1. 需要统一管理对象创建：如框架中的插件加载、依赖注入；

1. 希望隐藏子类实现细节：如第三方库对外提供工厂类，隐藏内部子类的具体实现。

7.4 本章实战：用 “工厂模式” 创建不同类型的 “支付方式”（微信支付、支付宝支付）

本实战将基于 7.3.2 节的支付场景，进一步完善工厂模式的实现，增加 “支付前校验” 和 “支付记录” 功能，具体需求如下：

实战需求

1. 定义Payment抽象类（继承ABC）：

• 抽象方法：pay(self, amount)（发起支付，返回支付结果字符串）；

• 普通方法：validate_payment(self, amount)（支付前校验：金额必须为正数，返回布尔值和错误信息）。

1. 定义具体支付子类（继承Payment）：

• WeChatPayment：微信支付，pay方法返回 “微信支付成功，订单号：WX + 时间戳 + 随机数”；

• AlipayPayment：支付宝支付，pay方法返回 “支付宝支付成功，订单号：ALIPAY + 时间戳 + 随机数”。

1. 定义PaymentFactory工厂类：

• 静态方法create_payment(payment_type, app_id)：根据payment_type（"wechat"/"alipay"）创建对应支付实例，app_id为支付平台的应用 ID（需传入子类初始化）；

• 校验payment_type合法性，不支持则抛出异常。

1. 定义PaymentRecord类（记录支付记录）：

• 静态方法log_payment(payment_result)：接收支付结果字符串，打印 “[支付时间] 支付记录：{payment_result}”（支付时间格式：年 - 月 - 日 时：分: 秒）。

1. 完成以下操作：

• 通过工厂类创建微信支付实例（app_id="wx123456"）和支付宝支付实例（app_id="alipay789"）；

• 分别发起 150 元（微信）和 280 元（支付宝）的支付，先调用validate_payment校验，校验通过再调用pay；

• 调用PaymentRecord.log_payment记录每次支付结果；

• 尝试创建 “银联支付” 实例（不支持），观察异常处理。

实战代码实现

import time

import random

from abc import ABC, abstractmethod

# 1. 定义Payment抽象类（抽象产品）

class Payment(ABC):

def __init__(self, app_id):

# 初始化支付平台的应用ID（每个支付实例对应一个app_id）

self.app_id = app_id

def validate_payment(self, amount):

"""

支付前校验：金额必须为正数

:param amount: 支付金额

:return: (is_valid: bool, message: str) 校验结果和提示信息

"""

if not isinstance(amount, (int, float)):

return False, "支付金额必须是整数或浮点数"

if amount <= 0:

return False, f"支付金额{amount}元无效，必须大于0"

return True, "校验通过"

@abstractmethod

def pay(self, amount):

"""抽象方法：发起支付，返回支付结果字符串"""

pass

# 2. 定义具体支付子类（具体产品）

class WeChatPayment(Payment):

def pay(self, amount):

# 生成订单号：WX + 时间戳（秒） + 6位随机数

timestamp = int(time.time())

random_num = random.randint(100000, 999999)

order_id = f"WX{timestamp}{random_num}"

# 返回支付结果（包含app_id，区分不同应用）

return f"微信支付（app_id：{self.app_id}）成功：{amount}元，订单号：{order_id}"

class AlipayPayment(Payment):

def pay(self, amount):

# 生成订单号：ALIPAY + 时间戳（秒） + 6位随机数

timestamp = int(time.time())

random_num = random.randint(100000, 999999)

order_id = f"ALIPAY{timestamp}{random_num}"

# 返回支付结果

return f"支付宝支付（app_id：{self.app_id}）成功：{amount}元，订单号：{order_id}"

# 3. 定义PaymentFactory工厂类

class PaymentFactory:

@staticmethod

def create_payment(payment_type, app_id):

"""

根据支付类型创建支付实例

:param payment_type: 支付类型（"wechat"/"alipay"）

:param app_id: 支付平台的应用ID

:return: 对应的支付实例（WeChatPayment/AlipayPayment）

"""

# 校验app_id合法性

if not isinstance(app_id, str) or len(app_id.strip()) == 0:

raise ValueError("app_id必须是非空字符串")

# 根据支付类型创建实例

payment_type = payment_type.lower()

if payment_type == "wechat":

return WeChatPayment(app_id.strip())

elif payment_type == "alipay":

return AlipayPayment(app_id.strip())

else:

raise ValueError(f"不支持的支付方式：{payment_type}，仅支持wechat/alipay")

# 4. 定义PaymentRecord类（支付记录）

class PaymentRecord:

@staticmethod

def log_payment(payment_result):

"""

记录支付结果，包含当前时间

:param payment_result: 支付结果字符串（由pay方法返回）

"""

# 获取当前时间，格式：年-月-日 时:分:秒

current_time = time.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S", time.localtime())

print(f"[{current_time}] 支付记录：{payment_result}")

# 5. 实战操作：执行支付流程

def execute_payment(payment, amount):

"""

执行支付流程：校验 → 支付 → 记录

:param payment: 支付实例（WeChatPayment/AlipayPayment）

:param amount: 支付金额

"""

# 步骤1：支付前校验

is_valid, message = payment.validate_payment(amount)

if not is_valid:

print(f"支付失败：{message}")

return

# 步骤2：发起支付

try:

payment_result = payment.pay(amount)

print(f"支付成功：{payment_result.split('，')[0]}") # 简化打印支付成功信息

except Exception as e:

print(f"支付异常：{e}")

return

# 步骤3：记录支付结果

PaymentRecord.log_payment(payment_result)

# 执行具体支付

if __name__ == "__main__":

print("=" * 60)

# 场景1：微信支付150元

try:

wechat_pay = PaymentFactory.create_payment("wechat", "wx123456")

execute_payment(wechat_pay, 150)

except ValueError as e:

print(f"微信支付初始化失败：{e}")

print("\n" + "=" * 60)

# 场景2：支付宝支付280元

try:

alipay_pay = PaymentFactory.create_payment("alipay", "alipay789")

execute_payment(alipay_pay, 280)

except ValueError as e:

print(f"支付宝支付初始化失败：{e}")

print("\n" + "=" * 60)

# 场景3：尝试支付负数金额（校验失败）

try:

wechat_pay2 = PaymentFactory.create_payment("wechat", "wx789012")

execute_payment(wechat_pay2, -50) # 金额为负，校验失败

except ValueError as e:

print(f"微信支付初始化失败：{e}")

print("\n" + "=" * 60)

# 场景4：尝试创建银联支付（不支持）

try:

unionpay_pay = PaymentFactory.create_payment("unionpay", "union123")

except ValueError as e:

print(f"银联支付初始化失败：{e}")

实战运行结果

============================================================

支付成功：微信支付（app_id：wx123456）成功：150元

[2025-08-25 16:30:45] 支付记录：微信支付（app_id：wx123456）成功：150元，订单号：WX1756203445123456

============================================================

支付成功：支付宝支付（app_id：alipay789）成功：280元

[2025-08-25 16:30:45] 支付记录：支付宝支付（app_id：alipay789）成功：280元，订单号：ALIPAY1756203445654321

============================================================

支付失败：支付金额-50元无效，必须大于0

============================================================

银联支付初始化失败：不支持的支付方式：unionpay，仅支持wechat/alipay

实战代码解析

1. 抽象类Payment的设计：

• 构造方法__init__接收app_id，确保每个支付实例绑定唯一的应用 ID（模拟真实支付平台的应用标识）；

• 普通方法validate_payment封装通用校验逻辑，子类无需重复编写，体现代码复用；

• 抽象方法pay强制子类实现差异化的支付逻辑，确保接口统一。

1. 具体支付子类的设计：

• WeChatPayment和AlipayPayment分别实现pay方法，生成包含 “支付类型、app_id、金额、订单号” 的结果字符串；

• 订单号通过 “时间戳 + 随机数” 生成，确保唯一性（模拟真实支付系统的订单生成规则）。

1. 工厂类PaymentFactory的设计：

• 静态方法create_payment新增app_id参数，支持传入支付平台的应用标识，满足实际开发中 “多应用” 的场景；

• 增加app_id合法性校验，避免创建无效的支付实例；

• 统一管理支付类型的判断逻辑，后续新增支付方式（如 “银联支付”）时，只需在工厂类中添加分支，无需修改其他代码。

1. 支付记录类PaymentRecord的设计：

• 静态方法log_payment通过time.strftime获取格式化时间，记录支付的具体时间点，模拟真实系统的日志记录功能；

• 与支付逻辑解耦，支付记录功能可独立扩展（如后续需将记录写入文件或数据库，只需修改该类）。

1. 统一支付流程execute_payment的设计：

• 封装 “校验→支付→记录” 的完整流程，外部调用只需传入 “支付实例” 和 “金额”，无需关心内部步骤；

• 增加异常捕获，确保某一步骤失败时不影响整体程序运行，提升代码健壮性。

实战总结

通过本次工厂模式实战，我们实现了以下目标：

1. 接口统一：所有支付方式都遵循Payment抽象类的接口，外部调用时无需区分具体类型，体现多态特性；

1. 创建解耦：通过工厂类统一管理支付实例的创建，外部只需指定 “支付类型” 和 “app_id”，无需直接调用子类构造函数；

1. 逻辑复用：通用的校验逻辑、日志记录逻辑被封装在单独的方法或类中，避免代码冗余；

1. 易于扩展：新增支付方式（如 “银联支付”）时，只需：

• 创建UnionPayPayment类继承Payment并实现pay方法；

• 在PaymentFactory.create_payment中添加 “unionpay” 的分支判断；

无需修改execute_payment、PaymentRecord等现有代码，完全符合 “开闭原则”。

本章小结

1. 类方法与静态方法：

• 类方法依赖cls参数，用于操作类属性或创建实例，适合实现 “类级别的逻辑”；

• 静态方法无默认参数，用于提供纯工具函数，适合封装与类相关但不依赖类 / 实例属性的逻辑；

• 二者均通过装饰器定义，推荐通过 “类名。方法名” 调用，避免与实例方法混淆。

1. 设计模式的实践价值：

• 单例模式确保类只有一个实例，适合资源密集型或全局共享的对象（如数据库连接、配置管理）；

• 工厂模式统一管理子类对象的创建，降低代码耦合度，提升扩展性，适合 “多子类、需统一创建” 的场景（如支付系统、日志系统）；

• 设计模式不是 “银弹”，需根据实际场景选择 —— 简单场景下无需过度设计，复杂场景下合理应用可显著提升代码质量。

1. Python 特性与设计模式的结合：

• 利用abc模块实现抽象类，强制接口统一；

• 利用装饰器、模块特性等 Python 特有语法，简化设计模式的实现（如基于装饰器的单例、基于模块的单例）；

• 设计模式的核心是 “解决问题的思想”，而非固定代码模板，需结合 Python 的动态特性灵活调整。

本章的进阶内容为后续复杂项目开发奠定了基础，下一章我们将通过 “学生信息管理系统” 的综合实战，整合 OOP 的核心特性与进阶技巧，实现一个完整的小型项目。